相控阵技术在大气探测中的应用及面临的挑战

摘要： 近年国际上相控阵技术在大气探测领域中的应用有了重要进展,成为雷达气象学研究的又一新热点,并可能成为今后天气雷达发展的重要方向。介绍了相控阵技术在大气探测中应用现状和研究进展,以及近年在气象应用中所获得的最新研究结果,展望了相控阵技术的应用前景,进一步讨论了开展相控阵技术研究所面临的技术挑战和未来发展的方向。为我国开展相控阵天气雷达的研制提供参考。     

相控阵雷达扫描方式对回波强度测量的影响

有源数字阵列雷达的波束设计非常灵活,可变的波束宽度和多波束模式不仅可以满足不同任务的观测需求,还可有效节约扫描时间,但阵列天线参数随波位改变的特性对相控阵天气雷达回波强度的精确定标提出了挑战。2013年4—6月,中国气象科学研究院与安徽四创电子股份有限公司联合研发的X波段一维有源相控阵天气雷达 (X-PAR) 进行了装配后的首次测试观测。对比该雷达与相同位置的C波段双线偏振雷达 (C-POL) 观测资料发现,X-PAR不同宽度的扫描波束均能取得较合理的观测资料。但由于各模式的雷达方程及其标定方法不尽相同,并受到阵列天线照射体积、展宽波束和发射增益的影响,造成X-PAR回波强度存在一定的测量偏差。结合天线参数分析和实际数据统计将测量偏差订正至±1 dB内,为雷达的进一步调试和改进提供了依据。     

用于水下运载器的高精度多普勒计程仪开发

文中主要介绍了高精度多普勒计程仪的原理及组成,在863计划的资助下成功开发了该多普勒计程仪的样机,并取得了很好的实验效果,正在走向产业化。     

阵列天气雷达高分辨率强度场融合方法研究

阵列天气雷达是一种具有高时空分辨率的新型天气雷达,采用分布式相控阵技术探测强对流天气的精细化流场和强度场,为小尺度强对流天气研究提供了新技术及工具。文章提出一种高分辨率强度场融合方法:计算每个方位向和仰角方向分辨率扩展系数,依次对强度值进行填充;将极坐标形式强度值转换成笛卡尔坐标;对多个收发子阵强度值进行融合。利用模拟雷达探测来定性及定量地评价高分辨率强度场融合结果,验证了融合方法的有效性。通过分析了一次真实降水个例,证明了本文得到的100 m分辨率的强度场融合资料具有更为精细完整的回波结构。     

平面相控阵脉冲压缩的雷达气象方程

在低发射功率条件下,相控阵多普勒天气雷达为了增加探测距离和提高分辨率,需要采用脉冲压缩技术.由于采用相控阵技术,波束扫描过程中,在平面阵非法线方向上会产生波束展宽,引起波束内功率下降,需要在计算雷达气象方程时弥补功率下降的误差.平面相控阵天气雷达在探测远距离目标时,使用宽脉冲发射,经脉冲压缩处理以提高分辨率,因此需要建立适用的雷达气象方程.首先讨论了脉冲压缩低峰值功率的平面相控阵多普勒天气雷达的结构、线性调频脉冲压缩的距离(多普勒测量)、调频波形的耦合问题以及目标距离的测量;然后给出了适用于脉冲压缩的平面相控阵雷达气象方程,此方程同时也适用于一维线性阵的脉冲压缩的天气雷达.     

相控阵天气雷达波束特性

为了缩短雷达的探测周期, 相控阵天气雷达必须采用宽波束发射, 多波束接收。该文在天线口径为均匀分布和非均匀分布情况下讨论了相位扫描天线的方向图, 对波束特性进行分析, 提出采用非均匀划分子空间方法可对相位扫描天线带来的波束展宽效应和增益减小进行补偿, 并模拟设计了一个相控阵天气雷达天线方案, 给出宽波束和多个窄波束方向图及波束参数。结果表明:海明加权方法可使副瓣电平降低到-25 dB, 能基本满足天气探测需求; 采用非均匀划分子空间能够对波束宽度和天线增益进行补偿; 文中所设计的天线方案不仅能够缩短雷达的探测周期, 还能充分利用雷达的照射能量。     

一次高炮防雹的相控阵双偏振雷达观测特征北大核心CSCD

选取2021年6月28日山西省临汾市隰县一次高炮防雹作业过程,利用隰县X波段相控阵双偏振雷达数据分析作业前后强对流云变化的现象和机理。高炮防雹作业后冰雹云单体的宏观特征、动力和微物理的垂直结构均出现短时间明显变化。高炮防雹作业后1 min 55 dBZ顶高急剧下降约2 km至0℃层以下,水平反射率因子ZH的强回波垂直结构在0℃层断裂,径向速度散度显示单体前部和后部的辐合带减弱、消失,差分反射率ZDR在近地面增大,ZDR柱消失,差分相移率KDP在中低层增大,共极化相关系数ρ_(hv)从0℃层到近地面表现为0.94~0.96的柱状区,单体核心上部的过冷水小范围中心消失,0℃层以下由雨夹雹、霰、湿雪及各种雨的混合柱状分布转为低层大雨。这些短时间的明显变化现象支持爆炸防雹理论。     

双偏振相控阵雷达与业务雷达的定量对比及观测精度研究

相控阵天气雷达突破了全机械驱动天线天气雷达的时空分辨率瓶颈,能够提供更加快速、精细的观测资料。但阵列天线存在性能参数随扫描角偏离法向而恶化的情况,使相控阵雷达定量测量存在困难。本文针对中国华南地区最新布网的双偏振相控阵天气雷达,通过与当地S波段业务雷达在相同区域内的定量对比,评估了反射率因子差分反射率因子的误差量级及其随扫描角、观测时间的变化趋势。研究结果表明,相控阵雷达反射率因子的误差不大、约0.82 dB,而差分反射率因子的误差则高达1.04 dB,并且不同仰角、不同时刻之间也存在一定的波动。为此本文提出了基于S波段雷达实时数据的订正方案,能够较好地解决双偏振相控阵天气雷达的定标问题,为相控阵雷达的业务应用提供了保障。     

副热带高压背景下极端短时强降水的双偏振相控阵雷达观测分析

为了研究副热带高压（副高）背景下极端短时强降水系统的动力和云物理结构特征,利用厦门X波段双偏振相控阵雷达观测数据,采用多普勒雷达风场反演技术并结合高精度的地形数据,对2021年8月11日发生在厦门地区的一次极端短时强降水事件进行了分析。研究表明:（1）这次过程发生在副高控制之下,具有弱天气尺度强迫特征。地面辐合线促进了线状对流系统的形成,其后向传播过程导致了局地极端强降水的发生。（2）对流系统的中层存在大粒子累积区,大粒子的下泻导致雨强增大。倾斜上升（下沉）气流的配置使得大粒子的下泻不会影响上升气流,有利于对流系统的发展与维持。下沉气流与偏南气流相遇触发了上游对流系统的发展,形成后向传播。（3）在弱天气尺度系统背景下,局地地形对于降水系统的影响得以凸显。地形造成的低层辐合使得差分反射率因子（Z_DR）、差分传播相移率（K_DP）等双偏振参数在迎风坡处明显增大,且大值区在此处维持。更大、更浓密的降水粒子形成了极高的降雨效率。（4）暖雨过程和冰相过程在这次极端降水事件中并存,前者对雨水的形成起主导作用,冰相粒子的融化加速了这一进程。（5）强降水时雨滴的破碎和碰并趋于平衡,雨强的增大取决于雨滴浓度的升高。因此,K_DP可作为判断雨强是否增大的指标。（6） Z_DR柱与K_DP柱的演变对于地面雨强的变化具有预示性,特别是在持续降水过程中,Z_DR（K_DP）柱的再度发展预示着降水系统的再次增强。      

相控阵天气雷达监测预警龙卷风的过程剖析

天气雷达作为龙卷风监测预警的重要手段之一,应用具有超高时空分辨率的X波段双极化相控阵天气雷达系统,较好地捕获并提前预警龙卷风。以2022年6月19日07时发生在广东佛山南海的一次龙卷风为例,详细剖析龙卷生消及雷达监测预警过程。借助雷达智能预警软件,利用X波段双极化相控阵天气雷达的双偏振量和超高时空分辨率数据,实时反演三维风场和分析龙卷碎片(TVS)特征,能够显著提高龙卷风监测预警水平。实例表明,本次成功地提前18分钟预警龙卷,进一步说明了X波段双极化相控阵天气雷达在强对流天气探测方面具有较强的生命力。